一种负抽头系数的微波光子滤波器和光电振荡器
技术领域
本发明属于光通信和微波光子领域，特别涉及一种负抽头系数的微波光子滤波器和光电振荡器。
背景技术
微波光子学是将微波与光结合，把光学技术应用于微波系统中，利用光学系统特有的低损耗，大带宽的巨大优势进行微波信号的传输和处理。与传统的全电学处理方法相比，微波光子技术突破了传统微波系统传输带宽较小和处理速度较低等方面的瓶颈，拥有小尺寸、大带宽、低损耗、不受电磁干扰及频率响应平坦等优点，可以完成传统微波系统中较复杂甚至是难以实现的微波信号处理和高速传输等。
光电振荡器是利用微波光子学技术产生微波信号的一种方法，通过利用光纤链路的低相位噪声和低损耗特性，将系统中的噪声在光域或电域进行选频，并不断反馈放大，最终振荡产生微波信号。这种方法可以避开较为复杂的半导体工艺，设备简单，并具有频谱纯净、相位噪声低、可调谐范围大等优势。
传统的光电振荡器通常采用窄带带通电滤波器来选择期望的振荡频率，但也正是由于电滤波器难以达到高Q值(高中心频率、低带宽)，光电振荡器的性能会受到限制。微波光子滤波器利用微波信号调制光载波，并在光域内进行处理，再用探测器还原为微波信号。整个系统的响应相当于对原信号滤波。如果结合微波光子滤波器技术和光电振荡器技术，将会对光电振荡器的调谐性能和噪声性能有很大的提升。
和电域的有限冲击响应滤波器类比，微波光子滤波器可以利用多路载波作为抽头，将微波信号经过电光调制器调制上去，通过改变每路载波的强度或者相位提供抽头系数，再在每路载波之间引入延时，最后通过光电探测器输出，实现滤波功能。但是改变载波的强度只能构造正抽头系数，而全正抽头系数的光电振荡器只能为低通滤波，不能直接运用到光电振荡器中；而光学相移器结构复杂，且通常需要配合锁相器件，会增加系统成本。所以，需要构造负抽头系数的微波光子滤波器，并以此为基础设计光电振荡器。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种负抽头系数的微波光子滤波器和光电振荡器。本发明利用两个波长的光相位调制到光强度调制转换，构造了两个抽头系数分别为+1和-1的微波光子滤波器，并在此基础上加入反馈和放大构造了光电振荡器。
本发明采用的技术方案为：可调光源1和可调光源2输出波长分别为λ1和λ2，经过光耦合器耦合后，进入相位调制器进行调制，相位调制信号经过光鉴频器鉴频后转变为强度调制信号，再经过色散介质之后通过光电探测器还原为电信号，经过放大之后反馈回相位调制器。整个系统的开环响应是抽头系数为+1和-1的双抽头有限冲击响应滤波器，抽头之间的延时由色散介质决定，其作用是为光电振荡器选频。系统中的噪声可以看做由多个频率的正弦波叠加组成，这些噪声经过不断循环选频、放大、反馈，最终形成稳定的振荡。
进一步地，所述光鉴频器的频率响应为梯形响应，拥有两个斜率为相反数的线性区。
进一步地，系统开环响应的双抽头微波光子滤波器，其+1和-1抽头系数，由λ1和λ2作为载波的相位调制信号被鉴频器两个斜率相反鉴频区鉴频产生。
进一步地，所述光鉴频器为啁啾布拉格光栅。
进一步地，两个抽头之间引入的延时量可以表示为：
Td＝DLΔλ
其中，D为色散系数，L为色散介质长度，Δλ为λ1和λ2之差。
进一步地，所述色散介质为单模光纤。
本发明的有益效果是：利用光相位调制到强度调制转换来构造负抽头系数微波光子滤波器，并以此为基础设计光电振荡器。该系统在具备光电振荡器优势的同时还有结构简单、易于实现并具有调谐性的优点，在光通信和微波光子等领域得到重要的应用。
附图说明
图1为本发明所采用的微波光子滤波器的原理图。
图2为负抽头系数有限冲击响应滤波器的原理。
图3为本发明中负抽头系数微波光子滤波器的频谱仿真。
图4为本发明中产生正负抽头系数的原理。
图5为本发明所公开的光电振荡器的原理图。
图6为光电振荡器选频原理。
图7为本发明中使用的啁啾布拉格光栅光谱仿真图。
图8为本发明所公开的光电振荡器的输出仿真。
具体实施方式
所述微波光子滤波器原理如图1所示。可调光源1和可调光源2输出波长分别为λ1和λ2，经过光耦合器耦合后，和微波信号一起进入相位调制器进行相位调制，相位调制信号从光环行器1端口输入，在2端口被啁啾布拉格光栅反射后在3端口输出，由于啁啾布拉格光栅的作用变为强度调制信号，再经过一定长度的单模光纤之后，由于λ1和λ2存在波长差，将会因为光纤色散引入延时，最后通过光电探测器还原为微波信号。
其滤波原理可以用图2所示的有限冲击响应滤波器描述，将信号分为两路，加权系数分别为+1和-1，两路之间有延时Td，通过加法器之后输出。该滤波器的冲激响应可以描述为：
H(ω)＝1-cos(ωTd) (1)
图3是不同延时量时的负抽头系数微波光子滤波器的频谱仿真。
图4说明了本发明中产生+1和-1抽头系数的原理。满足小信号调制的情况下，只考虑一阶边带，相位调制信号可以被描述为：
其中，主要的三个谐波分量ω0-ω、ω0、ω0+ω分别代表-1阶边带、光载波、+1阶边带，E-1、E0、E+1分别为三个谐波分量的幅值，其中E-1＝E+1。可以看出相位调制信号的两个边带等大反相。左图为光鉴频器理想频率响应，拥有斜率相反的两个斜边。相位调制信号载波频率落在光鉴频器1、2、3区域时，经过光电探测器还原后的信号如右图所示。可以看出，当相同的相位调制信号落在两个斜率相反的斜边时，还原的电信号的相位是相反的，相当于产生了+1和-1的加权系数。本发明用啁啾布拉格光栅作为鉴频器，将λ1和λ2设置为两个斜边中心值。
本发明中所公布的光电振荡器原理如图5所示。将图1所示的微波光子滤波器的微波输出经过放大后反馈回相位调制器，就构成了光电振荡器。光电振荡器不需要微波输入，而是将系统中的噪声通过微波光子滤波器选频后放大反馈，形成振荡，微波光子滤波器通带和环路振荡模式匹配时能够形成振荡。图中实线部分表示光路，虚线部分表示电路。
图6是光电振荡器的选频原理。系统中存在的噪声可以看作多个正弦信号的叠加，光电振荡器相位条件：
ωkτ0+φ(ωk)+φ0＝2kπ,k＝0,1,2… (3)
在达到阈值的情况下，满足相位条件的频率将会起振。满足相位条件的频率有很多个，需要再通过滤波器选出需要的频率。本发明没有使用特定的滤波器，而是利用整个系统的响应进行滤波。
图7是本发明中使用的啁啾布拉格光栅冲激响应的仿真，两个斜边的中心为1530nm和1570nm，间隔为40nm。
光纤色散的延时可以描述为：
Td＝DLΔλ (4)
其中，D为色散系数，单模光纤的色散系数为20ps/(km·nm)。Δλ为λ1和λ2之差，即40nm。L为色散介质长度，为了达到图3仿真中几百ps的延时，L大约为几百米。这里取延时量为400ps，计算出L＝500m。
实施例
图8给出了本发明所公开的光电振荡器的输出仿真，由于所用的微波光子滤波频率响应为周期响应，所以光电振荡器为多模输出。通过改变延时量可以改变微波光子滤波器的频率响应，进而改变光电振荡器的输出频率，延时量可以通过改变两个可调激光器的波长差或者单模光纤长度来改变。
